专利名称：增益可控的两段式掺铒光纤放大器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光纤放大器，特别是一种增益可控的两段式掺铒光纤放大器。
技术背景随着通信技术的不断发展，宽带和高速的通信越来越受到社会的广泛关注。尤其 是在光通信领域，它稳定的传输和DTOM (密集波分复用)带来的巨大潜在带宽，宽带传输 更受人瞩目。自掺铒光纤放大器商用以来，它毫无疑问在全光通信中起着至关重要的作用。 铒经过激活，它在1550nm窗口既可以将数字信号、也可以将模拟信号光进行全光的放大， 对码型和速率都是透明的。980nm光学泵浦激光器能向特殊的光纤注入高强度能量，从而 激活铒离子，把传输中的光信号加以放大。掺铒光纤放大器能同时放大多个波长或信号，而与信号的比特率无关，同时还具有高 增益、高输出功率、低噪声、宽带宽、与偏振无关等优点。在很多领域和场合，掺铒光纤 放大器正逐步取代传统的光-电-光中继模式，成为现代光纤通信系统中不可缺少的关键部 件。掺铒光纤放大器的基本原理是利用掺铒光纤在泵浦能量下实现粒子数反转，通过 泵浦能量的跃迁和弛豫转化为信号能量实现信号的放大。在实际系统中，由于自发辐射和 光噪声的存在，掺铒光纤放大器不仅仅传播和放大信号光，而还放大了自发辐射，这种在 光纤中传播并放大的非信号光叫做ASE光(放大的自发辐射Amplified Spontaneous Emission)。虽然ASE的功率很小，但是它覆盖的频率很宽，会消耗一部分的泵浦功率， 而且有两个传播方向(正向和反向)以至于影响信号的放大倍数。尤其是反向传输的ASE 光经过反向的放大之后，传到掺铒光纤放大器的输入端时已经相当大了，而此时的信号光 则最弱，这样就会直接导致噪声系数和信号增益的恶化。所以对于掺铒光纤放大器而言， 增益并不是唯一的指标，在评定一个掺铒光纤放大器时噪声系数也是一项重要的指标，而 它的性能主要取决于传输过程中放大了的自发辐射的大小。传统的单段式掺铒光纤放大器光路如图2所示信号光和泵浦光通过耦合器耦合入掺 铒光纤，掺铒光纤的长度一般通过理论建模在给定的泵浦效率下达到最大化。由于掺铒光 纤放大器中同时存在着受激辐射和自发辐射，自发輻射在传播的过程中被不断地放大，到 输出端时会成为明显的噪声，从而影响输出信号的信噪比。 发明内容本发明的目的在于克服上述现有掺铒光纤放大器的不足，提供一种增益可控的两段式 掺铒光纤放大器，通过隔离反向传播的ASE噪声和将增益钳制在一个恒定值，从而优化了 噪声性能和增益。本发明的技术解决方案如下一种增益可控的两段式掺铒光纤放大器，其特点是① 整个光路中有掺铒光纤第一掺铒光纤6和掺铒光纤10:② 两段掺铒光纤6和10之间有依次连接的信号/泵浦波分解复用器7、第二光隔离器 件8和第二信号/泵浦波分复用器件9，用来隔离第二段较长掺铒光纤中反向传播的ASE， 使之不能进入第一段掺铒光纤。本发明中，所述的增益可控的两段式掺铒光纤放大器，其中(1) 在第一掺铒光纤6之前设有信号/泵浦波分复用器5，在该信号/泵浦波分复用器 5之前设有分光器2，在该分光器的分光反向上设有第一 pin管接收检测器3组成的信号 输入功率测量装置；在分光器2与输入信号之间还设有第一光隔离器1;(2) 在第二掺铒光纤10之后设有第三光隔离器1，在该光隔离器ll之后设有第二分 光器13，在该第二分光器13的分光方向上设有第二 pin管接收检测器14组成的信号输出 功率测量装置；在该第二分光器13的回光方向上设有第三pin管接收检测器12组成的有 回光输出功率测量装置；(3) pin管接收检测器3、 12和14检测的电信号都记入泵浦激光控制器L5，该泵浦 激光控制器15据此控制泵浦激光器4的工作，泵浦激光器4的激光功率由信号/泵浦波分 复用器5与信号光耦合后输入第一段掺铒光纤。本发明中，所述泵浦激光器的波长为980nm。本发明中，所述的信号/泵浦波分复用器5和9采用马赫一曾特波分复用器，还可采 用熔融拉锥双信道合波器或薄膜滤波的波分复用器。本发明中，所述的泵浦激光控制器15包括一个模数转换器(A/D)、 一个数模转换器 (D/A)和微处理器(MCU)。其增益控制的功能具体如下: 一、测量信号增益① 信号输入功率测量装置和信号输出功率测量装置测得输入、输出信号的即时激光功 率，并输出相应的电信号；② 泵浦激光器控制器的A/D转换器将功率测量装置输出的电信号由模拟量转换成数字 信号；◎经微处理器处理，求得信号的增益。二、与目标增益比较，微调泵浦激光器的泵浦功率① 将信号的实际增益与预先设定的目标增益比较，泵浦激光控制器按照一定的步长计 算出泵浦激光器注入电流的增大量或减小量，由D/A转换器将此结果转换成模拟信号输出 至泵浦激光器，以达到微调泵浦激光器的功率。② 按照第一步中的方法测得调整后的即时信号增益，重复①的步骤，直到泵浦激光器 的信号增益达到目标增益。本发明的技术效果① 本发明采用将两段长度经过优化的掺铒光纤通过隔离器隔开，允许信号光从正向通 过，而反响的ASE光却无法通过前段光纤。从而反向ASE噪声不会消耗泵浦激光器的功率， 影响信号在前段的放大，提高了信号增益。② 由于反向ASE噪声没有在第一段光纤得到放大，可以减小第一级的噪声系数。由于 多级系统中，系统总的噪声系数主要是受到第一级噪声系数的影响，所以可以减小噪声系 数。③ 釆用一个pin管接收从输出端返回的光，做回光检测。输出端后面的光纤链路一旦 出现断路，本地的掺铒光纤放大器可以检测到较强的反射波，以便单片机可以及时关断泵 浦激光源，避免伤及其他的光器件并告警。
图1是本发明增益可控的两段式掺铒光纤放大器的结构简图。 图2是一个简单的单段式掺铒光纤放大器的结构简图。 图3是本发明增益可控的两段式掺铒光纤放大器的光路性能优化图。 图4是本发明增益可控的两段式掺铒光纤放大器在信号波长为1530nm时的信号输出信 噪比。图5是本发明增益可控的两段式掺铒光纤放大器在信号波长为1540nm时的信号输出信 噪比。图6是本发明增益可控的两段式掺铒光纤放大器在信号波长为1550nm时的信号输出信 噪比。图7是本发明增益可控的两段式掺铒光纤放大器在信号波长为1560nm时的信号输出信 噪比。图中标号l一第一光隔离器，2第一分光器，3为第一 pin管接收检测器，4—泵浦激光器，5— 第一信号/泵浦波分复用器，6—第一掺铒光纤l， 7—信号/泵浦波分解复用器，8—第二光隔离器，9一第二信号/泵浦波分复用器，IO—第二掺铒光纤，ll一第三光隔离器，12—第 三pin管检测器，13—第二分光器，14一第二pin管接收测器，15—泵浦激光控制器。
具体实施方式
首先请参阅图l，图1是本发明增益可控的两段式掺铒光纤放大器的结构简图。由图 可知，本发明自信号输入至信号输出依次包括第一光隔离器l，第一分光器2、第一信号/ 泵浦波分复用器5、第一惨铒光纤6、信号/泵浦波分解复用器7、第二光隔离器8、第二 信号/泵浦波分复用器9、第二掺铒光纤IO、第三光隔离器ll、第二分光器13，其中① 整个光路中有两段掺铒光纤6和10，两段掺铒光纤之间有依次连接的信号/泵浦波 分解复用器7、第二光隔离器件8和第二信号/泵浦波分复用器件9，用来隔离第二段较长 掺铒光纤中反向传播的ASE，使之不能进入第一段掺铒光纤。② 泵浦激发器4采用980nm的泵浦激光器，通过信号/泵浦波分复用器5将合波后的 泵浦光耦合进掺铒光纤6;③ 在第一信号/泵浦波分复用器5之前设有第一分光器2，在该第一分光器2的分光 反向上设有第一pin管接收检测器3组成的信号输入功率测量装置，具体来说就是由第 一分光器2将信号分出1%，进入pin管3检测输入光信号的功率，并输出相应的电信号；④ 在第三光隔离器11之后设有第二分光器13，在该第二分光器13的分光方向上设 有第二 pm管接收检测器14组成的信号输出功率测量装置，具体来说就是由第二分光 器13将信号分出1%，进入pin管14检测输出光信号的功率，并输出相应的电信号；⑤ 在第三光隔离器之后设有第二分光器13，在该第二分光器13的回光方向上设有第 三pin管接收检测器12组成的回光输出功率测量装置，具体来说就是由分光器]3将反 向的回光信号分出1%,进入pin管12检测回光信号的功率，并输出相应的电信号； 还设有泵浦激光控制器15， pin管3、 12、 14检测的电信号分别输入泵浦激光控 制器15，该泵浦激光控制器据此计算出即时的增益，调节泵浦激光器4的工作，泵浦激光 器4的激光功率由信号/泵浦波分复用器5与信号光耦合后输入第一段掺铒光纤6，来控制 增益达到预定值。⑦由于第二隔离器8对980 的泵浦光不能透明导通，所以需要用信号/泵浦波解分 复用器件7和信号/泵浦波分复用器9在第二隔离器8两端对泵浦光进行分波和合波。⑧泵浦激光器控制器15根据3个pin管2、 12、 14输出的电信号，计算即时的光增 益，将信号的实际增益与预先设定的目标增益比较，泵浦激光控制器15按照一定的步长 计算出泵浦激光器4注入电流的增大量或减小量，由D/A转换器将此结果转换成模拟信号 输出至泵浦激光器4，以达到微调泵浦激光器4的功率。并重复该过程，直到泵浦激光器4的信号增益达到目标增益。从而达到控制增益在一个固定值的作用。图2给出了一个简单的掺铒光纤放大器的光路图信号光和泵浦光通过耦合器耦合入 掺铒光纤。在光纤的制备过程中，设法向光纤的纤芯中参入一定量的三价铒离子(Er"), 就形成了掺铒光纤。当泵浦光通过掺铒光纤时，掺铒光纤中Er3+的电子被激发到较高的能 级(激发态)。当一个电子处于高能级时，它通过弛豫返回到基态，并通过辐射或非辐射 跃迁释放出能量。非辐射跃迁将产生声子，即周围介质的量子化振动。而从高能级到低能 级的辐射跃迁包括两种形式自发辐射和受激辐射。在这两种形式下都有光子被发射。自 发辐射产生的光子相位、偏振态、传播方向、甚至波长都是随机的，而受激辐射产生的光 子和激发光子的相位、偏振态、传播方向、波长都相同的光子——成为全同光子。粒子处 于激发态时总会有自发辐射产生，而只有当一个能量和激发能级与基态能级的能量差相等 的光子入射到介质中时，才会诱发受激辐射。当泵浦光通过掺铒光纤时，会诱发亚稳态的 粒子以受激辅射的形式跃迁到基态，并产生和入射光信号中一样的全同光子，增加了信号 光中光子的数目。所谓的信号放大就是通过这样的机理实现的，这样的放大器就是掺铒光 纤放大器。图3是本发明增益可控的两段式掺铒光纤放大器模拟的光路性能优化图。A朽、ft分别 代表优化后两段式结构的噪声系数和增益，/V尸,、G分别代表未优化的单段式结构的的噪声 系数和增益。可见，优化后的两段式结构在泵浦功率、输入信号功率及掺铒光纤长度均相 同的情况下，增益提高了1.9dB，噪声系数得到了改善。图4是本发明增益可控的两段式掺铒光纤放大器在信号波长为1530nm时的信号输出信 噪比。输入泵浦为30mW，信号波长为1530nm，输入功率为-20dBm。图5是本发明增益可控的两段式惨铒光纤放大器在信号波长为1540mn时的信号输出信 噪比。输入泵浦为30mW，信号波长为1540nm，输入功率为-20dBm。图6是本发明增益可控的两段式掺餌光纤放大器在信号波长为1550nm时的信号输出信 噪比。输入泵浦为30mW，信号波长为1550nm，输入功率为-20dBm。图7是本发明增益可控的两段式掺铒光纤放大器在信号波长为1560nm时的信号输出信 噪比。输入泵浦为30mW，信号波长为1560nm，输入功率为-20dBm。
权利要求
1、一种增益可控的两段式掺铒光纤放大器，其特征在于①整个光路中有两段掺铒光纤第一掺铒光纤(6)和第二掺铒光纤(10)，②两段掺铒光纤之间有依次连接的信号/泵浦波分解复用器(7)、第二光隔离器件(8)和第二信号/泵浦波分复用器件(9)，用来隔离第二段较长掺铒光纤中反向传播的自发辐射，使之不能进入第一段掺铒光纤。
2、 根据权利要求1所述的增益可控制的两段式掺铒光纤放大器，其特征在于① 在第一掺铒光纤(6)之前设有第一信号/泵浦波分复用器(5)，第二掺铒光纤(10) 之后设有第三光隔离器(11)，在该第一信号/泵浦波分复用器(5)之前设有第一分光器(2)，在该第一该分光器(2)的分光反向上设有第一pin管接收检测器(3)组成的信号 输入功率测量装置；在该第一分光器(2)与输入信号之间设有第一光隔离器(1);② 在该第三光隔离器(11)之后设有第二分光器(13)，在该第二分光器(13)的分 光方向上设有第二pin管接收监测器(14)组成的信号输出功率测量装置；在该第二分光 器(13)的回光方向上设有第三pin管接收监测器(12)组成的回光输出功率测量装置；③ pin管接收监测器(3、 12和14)检测的电信号分别输入泵浦激光控制器(15)， 该泵浦激光控制器(5)据此控制泵浦激光器(4)的工作，泵浦激光器(4)的激光功率 由第一信号/泵浦波分复用器(5)与信号光耦合后输入第一段掺铒光纤(6)。
3、 根据权利要求2所述的增益可控的两段式掺铒光纤放大器，其特征在于所述泵浦 激光器的波长为980nm。
4、 根据权利要求1所述的增益可控的两段式掺铒光纤放大器，其特征在于所述的信 号/泵浦波分复用器采用马赫一曾特波分复用器，或者采用熔融拉锥双信道合波器，或者 采用薄膜滤波的波分复用器。
5、 根据权利要求2所述的增益可控的两段式掺铒光纤放大器，其特征在于所述的泵 浦激光控制器包括1个模数转换器、1个数模转换器和微处理器，其增益控制的具体功能 如下一、测量信号增益① 信号输入功率测量装置和信号输出功率测量装置测得输入、输出信号的即时光功 率，并输出相应的电信号；② 泵浦激光器控制器的A/D转换器将功率测量装置输出的电信号由模拟量转换成数 字信号；◎经微处理器处理，求得信号的增益；二、与目标增益比较，微调泵浦激光器的泵浦功率① 将信号的实际增益与预先设定的目标增益比较，泵浦激光控制器按照一定的步长 计算出泵浦激光器注入电流的增大量或减小量，由D/A转换器将此结果转换成模拟信号输 出至泵浦激光器，以达到微调泵浦激光器的功率；② 按照第一步中的方法测得调整后的即时信号增益，重复①的步骤，直到泵浦激光器 的信号增益达到目标增益。
全文摘要
本发明属于光纤放大器技术领域，具体为一种增益可控的两段式掺铒光纤放大器。该光纤放大器包括二段式掺铒光纤放大部分和增益控制部分，其中两段式的掺铒光纤放大部分包括980mn的泵浦激光源、两段掺铒光纤、光隔离器件、信号/泵浦的复用器、信号/泵浦的解复用器；增益控制部分包括输入、输出信号和输出回光的功率测量及泵浦激光器控制器。两段式的光路结构可以有效的隔离反向传播的ASE噪声，从而优化放大器的噪声性能。增益控制部分通过监控泵浦激光器的输出功率，从而实现放大器的增益控制和优化。
文档编号H04B10/17GK101217319SQ20081003249
公开日2008年7月9日 申请日期2008年1月10日 优先权日2008年1月10日
发明者晖 王, 蒋凤仙 申请人:复旦大学